巷道過極破碎大斷層影響帶綜合加固技術研究與應用

雷猛 劉小雷

摘要：斷層帶內圍巖破碎，自穩能力差，巷道支護困難。某礦西三C組煤中部采區矸石膠帶機上山需穿越F24斷層，區域地質條件復雜，受構造運動影響，圍巖內賦存高水平地應力，巷道處于深部大規模松軟圍巖內。為確保施工安全，快速掘進，首先采用超前預注漿、小循環注漿對破碎帶深部區域局部巖體進行加固，而后采用錨索網噴和二次注漿加固，有效消除了巷道過斷層期間的頂板圍巖冒落、片幫等各種不安全因素。結果表明，采用上述綜合加固技術后，巷道圍巖變形控制效果良好，取得了良好的技術經濟效果，對今后類似巷道穿越大斷層影響帶的支護方法與施工提供了參考。

關鍵詞：斷層破碎帶超前預注漿二次注漿錨索

0 引言

斷層是礦山巷道、隧道及其它巖石地下工程中經常遇到的地質構造，在多數情況下，是作為一個低強度、易變形、透水性大、抗水性差的軟弱帶存在的[1]。由于其圍巖破碎、松散，受構造應力影響應力集中現象明顯，依靠常規的巷道支護技術和施工方法很難克服開挖期的冒頂、突水等地質災害和運行期大變形引起的支護結構破裂失穩，因此，通過斷層的施工技術方案與措施的選擇顯得極為重要。

國內外學者圍繞斷層影響下巷道、隧洞圍巖變形與破壞問題進行了深入而廣泛的研究。劉勇[2]通過合理的注漿工藝和注漿參數研究，采用化學注漿加固圍巖的方法，并采用鉆孔窺視，分析了漿液充填規律，驗證了注漿效果；喬健[3]采用高強度預應力錨桿網支護、小孔徑預應力錨索加強支護、噴漿和U型鋼結合壁后充填技術，保證了穿斷層區域巷道長期穩定；劉泉生等[4]采用深淺孔注漿配合錨桿錨索支護對斷層帶巷道進行了加固，并對施工期和運行期巷道圍巖的穩定性演化規律進行了研究；薛翊國,李術才等[5]采用TSP超前探測方法，對青島膠州灣海底隧道過斷層期間，注漿前后的圍巖情況進行了實測，豐富了斷層的超前預報及注漿效果檢驗手段；趙毅鑫等采用超前管棚注漿支護技術研究了巷道通過極復雜斷層帶面臨的破碎圍巖變形控制問題。

研究表明[6-7]，采用超前預測、超前注漿（水泥漿、化學漿等）增強斷層帶內巖體的自穩強度，并在巷道掘進期間及運行期間加強礦壓觀測，對量測數據進行分析處理與必要的計算和判斷后作出預測與反饋，實現信息化施工，能夠保證巷道施工安全和圍巖穩定。本文將介紹超前預注漿+小循環頂板注漿+錨索網噴主動支護+二次注漿加固技術在巷道過斷層的綜合加固技術，為類似巷道的加固與支護提供寶貴的經驗。

1 工程概況

1.1 工程背景 某礦西三采區受F24逆斷層影響，將該采區劃分為上、中部采區。根據區內三維地震勘探資料解釋，F24逆斷層落差20～60m，斷層裂隙帶寬度達40～60m，且巖體破碎，內含裂隙水、構造煤、泥流等，影響范圍廣。該礦西三C組煤中部采區矸石膠帶機上山為系統巷道，需穿越該斷層，巷道設計標高-601～-788m。鄰近巷道皮帶機上山通過該斷層，掘進期間采用架棚被動支護，施工工期達到3個月，巷道投入使用至今，已進行多次巷修，巷道維護極為困難。剖面圖見圖1。

1.2 巷道加固方案 根據三維地震勘探資料和實際揭露情況，F24逆斷層不僅跨度大，且斷層內存在構造煤、裂隙水、軟巖、泥流等，在吸取以往施工經驗的基礎上，確定了該巷道過F24逆斷層的施工方案。

1.2.1 超前預注漿加固。巷道掘進期間，利用前探鉆孔進一步探清構造情況，當巷道施工至預計斷層面法距20m時，在巷道左右兩幫各施工一個鉆場，其規格為寬×高×深=5m×3m×3m，并施工超前預注漿鉆孔4組共14個，鉆頭直徑不小于94mm；開孔位置在拱基線以上、終孔位置在巷道輪廓線外2.5m，全程下鋼制套管注水泥漿，進行超前加固巷道頂板。

①鉆孔施工順序：1-3#孔—4-6#孔—7-9#孔—10-14#孔，每組鉆孔施工完畢及時注漿，并利用下一茬孔查看注漿效果。

②必須做到施工一個孔，套管下一個孔，固一個孔，防止垮孔。

③注漿選用大功率注漿泵，泵壓不小于14MPa，注漿材料選用PO42.5普通硅酸鹽水泥配合水玻璃，注漿液配比按照水：水泥重量比=1:（0.75～1），水玻璃摻入量按照水玻璃：水泥漿體積比=（0.4～1）：1。

1.2.2 小循環注漿掩護。巷道預注漿完成后，巷道繼續向前施工，根據巷道揭露巖性變化情況，在法距斷層面3m位置施工第一組頂板循環注漿鉆孔，鉆孔數不少于3個，深度為3m，鉆頭直徑為32mm；開孔位置在巷道拱基線以上，終孔位置在巷道輪廓線上300～1000mm。

根據久米納能夠快速凝結加固巖體的特性，利用鉆孔注久米納對施工巷道前方頂板進行再次補充加固，注漿以漿液外露或壓力達到16MPa保持2分鐘以上為標準；鉆孔掩護長度不大于3m，兩循環一施工，確保巷道掘進期間頂板安全。

1.2.3 錨索網噴主動支護。在超前預注漿和小循環注漿的掩護下，巷道頂板得到較好地控制，巷道支護選用錨索網噴主動支護形式。

高強錨桿規格為Φ22×2400mm，間排距700×700mm，鋼筋網規格為Φ6.5mm方格型鋼筋網，網格為100×100mm，錨索規格為Φ22×6300mm，間排距為1400×1600mm，每排布置三根，配合T3鋼帶使用，噴射砼標號C20，噴厚200mm，錨索夠一組施工一組，交叉邁步施工，頂板條件差時錨索緊跟迎頭，確保一次支護到位。

1.2.4 二次注漿加固巷道，確保支護有效。對巷道受壓情況進行觀測，采用Φ22×6300mm中空注漿錨索（間排距為1600×2400mm，不少于3根/排）注漿對巷道圍

巖進行二次加固，增加巖體主動承載能力，提高支護效果。

2 數值模擬分析

2.1 模型的建立 為了對比分析超前注漿與否對巷道穩定性的影響，采用離散元數值計算軟件UDEC3.10進行計算。模型為矩形，整個模型寬50m，高50m。模型兩側限制水平方向移動，模型底邊限制水平方向和垂直方向移動，模型上表面施加18.7MPa的載荷，用來模擬上覆巖體的自重邊界，兩側施加1.2倍自重應力水平載荷。材料破壞遵循Mohr-Coulomb強度準則。工程巖體的物理力學參數見表1，節理力學參數見表2。

表1巖體力學參數

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表2巖體節理參數

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2.2 計算結果分析 巷道圍巖位移計算結果見表3所示。

表3巷道圍巖最大位移量

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由表1結合圖3（a）塑性區分布圖可以看出，過斷層期間，僅采用錨桿錨索支護對巷道圍巖控制效果很差，計算不收斂，錨桿、錨索間有塊體掉落，底鼓嚴重，頂底板移近量為近2100mm，兩幫移近量為1200mm，巷道空間基本被填實，巷道周邊10m范圍內均產生了塑性破壞；圖3（b）為超前預注漿及小循環掩護注漿后，巷道圍巖塑性區主要分布在底板6m，頂板2.5m范圍內，較未注漿前顯著減小，頂底板移近量約860mm左右，兩幫230mm，巷道變形仍較大；圖3（c）為錨梁網支護后，采用中空注漿錨索再次注漿，強化圍巖，巷道塑性區范圍進一步縮小，頂板2m，底板3m范圍內產生了塑性區，巷道頂底板移近量約為220mm，兩幫移近量約70mm，與后期觀測結果一致。

3 實施效果

①掘進期間揭露情況表明，超前預注漿后，漿液擴散半徑2.5m范圍內巖體充填完整。

②巷道掘進過程未出現片幫、掉頂事故，巷道一次支護到位，頂幫有微量位移，局部地點有炸漿皮現象，總體支護效果達到預期目標。

③通過后期對巷道位移觀測，巷道穩定性得到有效保證，極大提高了巖體的自身承載能力及抗變形能力，開挖成型巷道位移量及收斂速率顯著減少，實現了一次成巷，后期未出現返修現象。

4 結論

①在探清地質構造情況下必須提前采取措施，超前長鉆孔注漿可有效超前加固破碎帶巖體，對后期主動支護打下基礎。

②對局部地質構造不清楚或突然揭露構造帶，利用循環注漿（化學材料）加固措施可有效實現短、平、快的控制特殊地質情況作用。

③特殊地質構造帶由于其所處地質條件和地應力相對集中，巷道掘進后應力重新分布，為更好的鞏固主動支護效果，必須進行二次注漿加固圍巖，增加巖體自主承載能力。

④通過巷道實際揭露情況可以看出，超前預注漿對破碎圍巖裂隙進行充填膠結，圍巖裂隙減少，增加了圍巖完整性，提高了巷道圍巖穩定性。

參考文獻：

[1]黃成光，于敦榮.公路隧道施工[M].北京:人民交通出版社， 2001.

[2]劉勇.斷層破碎帶中巷道注漿加固設計與實踐[J].煤礦開采， 2012，6(17)：56-58.

[3]喬健.錨網索注聯合支護在過斷層破碎帶中的應用[J].煤炭工程，2012(2)：22-26.

[4]劉泉聲，張偉，盧興利等.斷層破碎帶大斷面巷道的安全監控與穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2010，10(29)：1955-1961.

[5]薛翊國，李術才，趙巖等.青島膠州灣海底隧道F4-4含水斷層注漿前后TSP探測分析[J].山東大學學報(工學版)，2009，2(39)：109-111.

[6]趙毅鑫，姜耀東，孟磊等.超前管棚注漿支護技術在極復雜斷層帶中的應用[J].采礦與安全工程學報，2013，2(30)：262-266.

[7]郝曉亮，孫增飛，陳大廣.全長錨固注漿錨索在巷道過極易破碎大斷層支護中的應用[J].煤炭工程，2010(6)：23-26.

[8]梁和平.錨注復合支護技術在巷道施工過大斷層的應用[J].中國煤炭，2012，11(38)：34-36.

作者簡介：

雷猛（1986-），男，貴州遵義人，助理工程師，本科，安徽淮南礦業集團潘三礦生產技術科，主要從事礦井設計工作。